Takmer drastické zvyšovanie cien energií, ako aj limitované zdroje fosílnych palív nás nútia orientovať sa pre budúcnosť na obnoviteľné zdroje tepla. Musíme si uvedomiť, že šetrenie energiou je nevyhnutnou požiadavkou nielen z hľadiska jej finančnej náročnosti, ale aj z pohľadu zachovania udržateľného rozvoja pre ďalšie generácie.

Samozrejme, človek potrebuje na bývanie určitý tepelný komfort a energiu na chod spotrebičov v domácnosti. Úlohou je teda nájsť cesty, ktoré umožnia minimalizovať spotrebu akejkoľvek energie a prostredníctvom novodobých technológií ju získať z prirodzených alebo obnoviteľných zdrojov.

Teplo zo Slnka
Energia zo slnka má nevyčerpateľný potenciál. Táto obnoviteľná energia je ideálne využiteľná na vykurovanie priestorov a prípravu teplej vody, ktoré v domácnosti znamenajú podstatnú časť spotreby. Ďalšou možnosťou je využívanie zemského tepla, ktoré je veľkou perspektívou smerom do budúcnosti. Je to cesta k nezávislosti a k obmedzeniu vplyvu cenového diktátu monopolov.
Klimatické podmienky na Slovensku neumožňujú využívať Slnko ako jediný zdroj pre vykurovanie tak, aby to bolo aj ekonomické. Dá sa však využiť na ohrev pitnej vody pre potreby TÚV a na podporu vykurovania popri inom zdroji tepla. Čo si však ceníme asi najviac? Energiu zo slnka nám nikto nebude faktúrovať.

Solárne systémy
Najdôležitejším komponentom systému na získavanie tepla zo slnečnej energie je slnečný kolektor. Celý systém sa však skladá z ďalších, tiež veľmi dôležitých článkov.
Kolektor premieňa žiarenie na teplo, ktoré prostredníctvom teplonosnej látky odovzdáva do rozvodnej potrubnej siete. Je schopný zabezpečiť priamy ohrev pracovnej látky v čase dostatočného slnečného žiarenia, a tá potom odovzdá získané teplo prostredníctvom solárneho výmenníka úžitkovej vode, ktorá sa skladuje v zásobníku. Snímače merajú teplotu kolektoru aj teplotu v zásobníku, a keď sa teplota zvýši nad nastavenú diferenčnú hodnotu, zapne sa obehové čerpadlo. Tým sa vytvorí uzavretý okruh a dochádza k ohrevu vody v zásobníkovom ohrievači. Zásobník má mať dostatočný objem, aby dokázal pokryť spotrebu teplej vody aj v čase, keď slnko nesvieti.
Väčšina zásobníkov ohriatej vody má nainštalovaný aj výmenník tepla na dohriatie teplej vody v čase, keď solárny systém nestačí, a to prostredníctvom zdroja vykurovania.

Správny návrh
Množstvo energie, ktoré možno získať solárnymi kolektormi, závisí od klimatických podmienok, geografickej polohy miesta, ďalej od správneho navrhnutia veľkosti kolektorovej plochy, jej umiestnenia ako aj od technického vyhotovenia celého solárneho zariadenia.
Nevýhodou využívania solárnych systémov na ohrev vody pre vykurovanie je, že fungujú najefektívnejšie práve vtedy, keď slnko najviac svieti. V tomto období je v dome zvyčajne potreba tepla najnižšia. Teplo však potrebujeme práve v čase, keď slnko nesvieti, resp. svieti málo. Z tohto dôvodu sa solárny systém dá najekonomickejšie využiť najmä pri ohreve pitnej vody (OPV), ale aj na ohrev vody v bazénoch. Teplú vodu totiž potrebujeme vo viac - menej vyrovnanom množstve po celý rok a bazén využívame najmä v čase silnej intenzity slnečného žiarenia.
Ak hovoríme o vykurovaní solárnym systémom, hovoríme len o jeho podpore – v prechodných obdobiach a v zimných mesiacoch, najmä počas slnečných dní. Treba podotknúť, že solárny systém pracuje aj v čase, keď je slnko za mrakmi, teda využíva difúzne – rozptýlené a odrazené žiarenie.
Pri zvažovaní druhu kolektorov si môžeme vybrať z rôznych technických riešení. U nás sa najčastejšie uplatňujú kvapalinové kolektory, a to štandardné alebo vákuové. Vákuové vďaka svojmu konštrukčnému vyhotoveniu dosahujú lepšie tepelné zisky, a teda aj vyššiu účinnosť, sú však oproti klasickým drahšie. Existuje certifikované ekonomické porovnanie, ktoré berie do úvahy viacero aspektov: ročnú úsporu energie, stupeň využitia systému, množstvo potrebnej teplej vody, prevádzkové náklady celého zariadenia, ekologické dopady, amortizáciu systému z hľadiska získavania energie, ako aj bezpečnosť a jednoduchosť montáže. Pre rodinný dom so zníženou spotrebou tepla (dostatočne izolovaný obal stavby) a priemernou spotrebou teplej vody 200 l za deň je najvýhodnejší systém na prípravu teplej úžitkovej vody, pre ktorý je potrebný zásobník s objemom 300 l a približne 5 m2 plochy kolektorov (t. j. 2 štandardné kolektory).

Solárne kolektory
Kľúčový prvok solárneho systému – solárny kolektor je vystavený mimoriadnej meteorologickej záťaži: zmenám teplôt od - 20 °C v zime po vyše 200 °C počas horúcich letných dní, ďalej prudkým búrkam, ľadu i padajúcemu ľadovcu. Preto je mimoriadne náročný na kvalitu konštrukcie. Spotrebiteľ nedokáže bežným pohľadom posúdiť kvalitu solárneho kolektora: pevnosť sklenej plochy alebo sklených trubíc, svetelnú priepustnosť, energetický výkon či vodotesnosť kolektorovej vane.
Niektorí predajcovia poskytujú svojim klientom neúplné alebo dokonca klamlivé informácie. Pri kúpe kolektora preto odporúčame vyžadovať certifikát niektorej z európskych skúšobní, ako sú SPF Rapperswil (www.spf.ch), Solar Keymark (www.solarkeymark.org), ISE Freiburg (http://www.ise.fhg.de), Arsenal research (www.austriasolar.at) a podobne, ktoré na svojich webových stránkach uvádzajú technické detaily testovaných kolektorov. Takisto odporúčame uvažovať o kolektoroch vyvinutých pre naše klimatické podmienky – kolektory určené pre austrálsky, čínsky či grécky trh nemusia byť vhodné ani dostatočne odolné pre naše chladné zimy.

Solárne systémy efektívne pracujú s dodatkovým zdrojom tepla, čiže ako bivalentné systémy. Dodatkový zdroj tepla zabezpečí potrebnú dodávku energie v období zníženej intenzity slnečného žiarenia. Kolektory sú dobrá voľba pre nízkoteplotné energetické systémy, a to hlavne na ohrievanie úžitkovej vody počas celej sezóny, ale aj na ohrievanie vody v okrajových slnečných mesiacoch, prípadne na temperovanie vykurovaných miestností nízkoteplotnými vykurovacími systémami.

Fotovoltaické systémy
Druhou možnosťou, ako zapriahnuť Slnko do energetiky, je výroba elektriny premenou slnečného žiarenia. S ročným nárastom inštalovaného výkonu prevyšujúcim 30 % je fotovoltaika v celosvetovom meradle jeden z najrýchlejšie sa rozvíjajúcich odborov. Fotovoltaický jav vyplýva z toho, že na rozhraní dvoch polovodičových materiálov, na ktoré dopadá slnečné žiarenie, dochádza k pohlcovaniu fotónov a uvoľňovaniu elektrónov, z čoho vzniká elektrické napätie. Toto napätie sa dá využiť aj vo väčšom rozsahu – zriadením fotovoltaickej elektrárne.
Vlastniť a prevádzkovať malú slnečnú elektráreň je v súčasnej dobe úplne reálne. Aby sa dala zrealizovať a bola aj ekonomická, potrebujeme dobrú polohu vzhľadom na dopad slnečného žiarenia a dostatok financií.
Podľa výkonu môžeme fotovoltaické zdroje energie rozdeliť na:
- autonómne systémy s výkonom do 2 kW, ktoré nabíjajú akumulátory,
- hybridné systémy s výkonom do 5 kW, ktoré nabíjajú akumulátory a aj pomocné generátory,
- systémy napojené priamo na sieť s výkonom až niekoľko MW.
Autonómne pracujúce fotovoltaické systémy sú závislé len od slnečných článkov. Tieto sú pripojené na batériu cez regulátor nabíjania, ktorý prerušuje okruh, keď je batéria nabitá a vypína záťaž skôr, ako by sa batéria úplné vybila. Batérie musia byť dosť veľké, aby mohli skladovať energiu vyrobenú cez deň a využívanú v noci alebo počas nepriaznivého počasia.
Hybridné fotovoltaické systémy sú kombináciou slnečných článkov s dodatočným zdrojom elektrickej energie, ako je napr. dieselový generátor, veterný agregát alebo iný zdroj. Z hľadiska optimalizácie činnosti dvoch zdrojov, hybridné systémy si vyžadujú technicky náročnejšie regulačné zariadenia ako samostatne pracujúce systémy. Napríklad pri použití dieselového generátora sa vyžaduje, aby sa zapol pri nastavenej úrovni vybitia batérie a opäť vypol, keď je batéria dostatočne nabitá.
Pri použití hybridných systémov je možné využiť menšie fotovoltaické zariadenia a batérie ako v prípade podobných samostatne pracujúcich systémov. Z tohto dôvodu náklady na hybridný systém môžu byť nižšie ako na samostatne pracujúci systém.
Fotovoltaické systémy napojené priamo na sieť pracujú ako samostatné elektrárne.
Z hľadiska návratnosti investície má dnes význam využívať fotovoltaiku prevažne v sieťovej prevádzke, t. j. vyrobenú elektrinu dodávame do distribučnej siete. Elektrická energia dodaná z fotovoltaického generátora sa meria v napájacom bode meracími hodinami a predáva distribučnej spoločnosti (na Slovensku je pre rok 2010 stanovená výkupná cena elektrickej energie vyrobenej vo fotovoltaickej elektrárni (FVE) do 100 kW 0,430 € za 1kWh a pre FVE nad 100 kW 0,425 € za 1kWh. Investičné náklady fotovoltaickej elektrárne postavenej na kľúč (projekt, inžiniering, dodávka a montáž) sú približne 4 eurá/W.
Vstupná investícia na zriadenie fotovoltaického systému je zatiaľ pomerne vysoká, no mnohé pasívne domy vo svete si práve touto technológiou zlepšujú svoju energetickú bilanciu. Poznáme domy, ktoré do siete dodajú viac elektriny, než sa v nich počas prevádzky spotrebuje.

Fotovoltaické panely
Musia konštrukčne nadväzovať na ostatné konštrukčné prvky, v ktorých sú umiestnené (strecha, obvodový plášť, fasáda, atď.). Systém musí mať technologické prepojenie s technickým zariadením budovy. Vzhľadom na to, že články sú vždy viditeľné, treba vyriešiť aj ich estetické začlenenie do celkového výrazu objektu.
Fotovoltaické systémy môžu byť umiestnené mimo budovy, na voľnej ploche alebo fungujú ako jej súčasť (strešné a fasádne systémy). Podľa spôsobu upevnenia môžu byť pevné alebo pohyblivé (jednoosový motoricky natáčaný systém, ktorý sleduje pohyb slnka, získava o 17 až 19 % viac energie ako fixný).
Slnečné fotovoltaické kolektory premieňajú slnečné žiarenie priamo na elektrickú energiu. Dnešné FV články sa takmer výlučne vyrábajú z kremíka (Si) – extrémne čistého, zbaveného akýchkoľvek prímesí, preto je ich výroba finančne nákladná. Hoci je kremík najrozšírenejším prvkom na Zemi, jeho spracovanie do formy polovodiča je technologicky náročné.
Základnou jednotkou fotovoltaických panelov sú teda kremíkové články (zatiaľ len ojedinele iné).
Polykryštalické články predstavujú najbežnejšie používané a najlacnejšie zariadenia. Ich účinnosť je 14 – 15 %, pričom plocha potrebná na inštalovanie 1 KWp je asi 8 m2. Multikryštalické články majú účinnosť 15 – 16 %, monokryštalické 16 – 18 % (plocha potrebná na inštalovanie 1 KWp je asi 7 m2).
Základom amorfných panelov je naparovaná tenká kremíková vrstva nanesená na sklo alebo fóliu. Ich účinnosť je 6 – 10 % a plocha potrebná na inštalovanie1 KWp cca 10 –15 m2. Tenké filmy dosahujú účinnosť 8 – 12 %. Ide o strešné pásy, ktoré vychádzajú z technológie tenkovrstvových flexibilných fotovoltaických článkov druhej generácie (plocha potrebná na inštalovanie 1 KWp je cca 18 – 22 m2).
Účinnosť fotovoltaických modulov sa zvyšuje antireflexnou vrstvou a povrchovou štruktúrou (vzhľadom i hrúbkou). Polykryštalické a multikryštalické články majú typickú trblietavú ľadovú štruktúru a monokryštalické, amorfné články i tenké filmy majú rovnomerný optický vzhľad.
Účinnosť ovplyvňuje aj dizajn. Monokryštalické a polykryštalické panely sa kvôli mimoriadnemu architektonickému výrazu môžu vyhotoviť aj s neobvyklým dizajnom. Farba článkov môže byť rôzna, napríklad čierna pri monokryštalickom, červenohnedá pri amorfnom materiále a typická azúrovo- až tmavomodrá pri polykryštalickom.
Zložitými chemickými procesmi je pri polykryštalických článkoch možné dosiahnuť aj inú farebnosť – fialovú, svetlo a tmavosivú, zelenú, žltú, hnedú, bronzovú, striebornú, zlatú a ich kombináciou tzv. dúhovú. Panel môže byť v tvare štvorca, obdĺžnika, kruhu alebo má špeciálny i zaoblený tvar, prípadne sa dajú použiť aj na mieru vyrábané moduly prispôsobené výtvarnému zadaniu architekta.
Rôzna kombinácia uvedených charakteristík určuje nielen výsledný optický vzhľad modulov, ale aj ich účinnosť. Skladba vrstiev panelu, hrúbka, druh použitého skla, atď., závisia od statických a tepelnotechnických požiadaviek, od konkrétneho použitia. Panely však môžu spĺňať aj iné funkcie, napríklad v prípade plnej obvodovej steny môže ísť o obklad, ale zároveň aj zateplenie, pri transparentnej fasáde a streche (prekrytie niektorého z priestorov) o presvetlenie alebo naopak tienenie interiérov.

Zemný výmenník tepla
Na zníženie energetickej náročnosti sa často buduje tzv. zemný výmenník tepla. Niekedy sa označuje ako zemný register alebo zemný kolektor. Potrubie vedené pod zemou alebo zemný výmenník tepla pomôže ušetriť značné množstvo energie potrebnej na vykurovanie. Pri jeho inštalácii sa využíva skutočnosť, že v hĺbke približne 1,5 až 2 metre pod povrchom zeme sa teplota pôdnych vrstiev počas všetkých ročných období pohybuje približne na rovnakej úrovni t. j. okolo 7 - 12 °C. V zimnom, t. j. vykurovacom období sa prúdiaci vzduch ohrieva a naopak, v letných horúcich mesiacoch ochladzuje. Cez dlhé potrubie pod zemou sa čistý vzduch privádza k vetracej jednotke. Práve dostatočná dĺžka potrubia zabezpečí, že sa vonkajší vzduch od okolitej zeminy v zime ohreje a v lete ochladí.
Hoci princíp zemného kolektora vyzerá naozaj jednoducho, treba, aby ho navrhovali odborníci. Aj zhotovenie zverte špecialistom, pretože iba kvalitný návrh a jeho správna realizácia nám skutočne zabezpečia úsporu energie. Aby sa investícia do tohto zariadenia časom vrátila, musí pracovať spoľahlivo a efektívne.
Zemný kolektor pozostáva z plošne rozložených kolektorových rúrok, ktoré sa ukladajú do hĺbky 1,20 m až 1,50 m, s rozstupom rúrok 0,4 až 0,5 m. Potrubie má byť z materiálu s vysokou tepelnou vodivosťou, pevnosťou, s hladkým vnútorným povrchom a odolné proti baktériám. Používa sa potrubie z PVC alebo rúrky z polypropylénu. Priemer potrubia sa pohybuje od 20 do 40 centimetrov. Pre ideálnu prevádzku zemného kolektora je nevyhnutné kvalitné podložie. Vhodné sú najmä ílovité zeminy, neodporúčajú sa pieskové či štrkovité podložia. Celý systém by mal mať mierny sklon, pretože v letnom období sa bude v potrubí kondenzovať vzdušná vlhkosť. Na začiatku trasy zemného kolektora sa inštaluje vstupné nasávacie potrubie, ktoré je umiestnené niekde v okolí domu v dostatočne čistom prostredí. Jeho výška nad povrchom má byť najmenej pol metra, aby sa doň nedostal sneh alebo voda. Prúdenie vzduchu v potrubí nesmie byť príliš rýchle, aby sa teploty vzduchu a okolia stačili vyrovnať.

Nepriamy ohrev
Existuje ďalší spôsob, ako môžeme získať teplo zo zeme prostredníctvom zemného kolektora, a to nepriamo. Nemrznúca a ekologicky neškodná teplonosná kvapalina, tzv. soľanka, ktorá prúdi v kolektore, zohrieva vodu na vykurovanie. Soľanka je zmes vody a nemrznúcej zmesi, ktorá zabezpečí, že kvapalina nezamrzne ani pri teplotách nižších ako 0 °C.
Teplo môžeme získať dvoma spôsobmi – v plošnom zemnom výmenníku alebo uložením výmenníka do zemných vrtov, tzv. vertikálnych zemných sond. Dĺžka zemného výmenníka, či už je vo vertikálnej alebo horizontálnej polohe závisí od množstva tepla, ktoré potrebujeme získať, a taktiež od typu zeminy.
Na vybudovanie plošného zemného výmenníka tepla je potrebná pomerne veľká časť plochy pozemku. Dĺžku zemného výmenníka určíme podľa kvality zeminy, pretože tá ovplyvňuje vodivosť a množstva tepla, ktoré potrebujeme odoberať na zabezpečenie vykurovania a ohrevu pitnej vody. Špecifický odoberateľný výkon zo zemného kolektora teda závisí od vlastností okolitej pôdy.
Na základe meraní sa zistilo, že najvyšší možný odoberaný výkon sa dosahuje pri vodou nasiaknutej pôde. Existuje výrobca, ktorý využíva túto skutočnosť konzekventne –prostredníctvom privádzania dažďovej, drenážnej alebo studňovej vody do kolektorového poľa sa zem udržuje permanentne vlhká (bahenný kúpeľ).
Princíp je taký, že dažďová voda zo strechy (alebo iná voda ) sa cez predsadený filter privádza do špeciálne vyvinutého vsakovacieho systému, ktorý sa stará o stálu akumuláciu vody a jej rovnomerné rozdelenie po celom povrchu kolektora. Vsakovací systém je chránený proti vnikaniu okolitej zeminy geotextíliou, čím sa dosahuje jeho dlhotrvajúca funkcia. Prevlhčenie zeminy až do stavu „bahenného kúpeľa" sa zabezpečuje prostredníctvom kolektorovej vane. Vo vnútri tejto vane (s pôdou nasiaknutou vodou) sa nachádza kolektorové pole z polyetylénových rúrok (PE) na odoberanie zemného tepla. Regenerácia vody v bahennom kúpeli a stála hladina zostávajúcej vody vo vnútri kolektorovej vane sa zaisťuje pomocou privádzania a neustáleho vsakovania relatívne teplej dažďovej vody. Prebytočná dažďová voda prepadá cez okraj kolektorovej vane a vsakuje do susediacej pôdy. Pri nepriepustnej pôde sa inštaluje zberné potrubie privedené do kanalizácie alebo do odvodňovacej priekopy.
Klasické plošné zemné kolektory si vyžadujú relatívne veľkú plochu kolektorového poľa. Pri použití tohto špeciálneho kolektora sa potrebná pôdorysná plocha znižuje až o 75 %, preto je vhodný pre malé stavebné pozemky, pre dvojdomy či rodinné domy v radovej zástavbe.

Rekuperácia tepla
Riadené vetranie so spätným získavaním tepla (tzv. rekuperáciou) sa stáva nevyhnutnou súčasťou energeticky pasívnych domov. Kompaktná jednotka zabezpečuje prísun požadovaného množstva čerstvého vzduchu, filtruje ho a podľa potreby ohreje. Zároveň z domu odvádza znečistený vzduch a v zime jeho teplo odovzdáva privádzanému vzduchu.
Vetracia jednotka s rekuperáciou značne znižuje tepelné straty. Reálna účinnosť rekuperácie by mala byť aspoň 80 %. Riadeným vetraním so spätným získavaním tepla dokážeme z tepelnej bilancie domu vylúčiť stratu vetraním, čo napríklad pri objekte s celkovou stratou 9 kW/m2 za rok môže byť až 30 % ročných nákladov na vykurovanie a pri dome so stratou okolo 6 kW/m2 za rok to môže dosiahnuť aj 50 % ročných nákladov.
Základná rekuperačná jednotka sa skladá z doskového alebo rotačného výmenníka tepla, ventilátorov, filtra a ovládania, ktoré sú umiestnené v skrinke, teplotechnicky a akusticky prispôsobenej. Rekuperačné jednotky sa líšia svojimi rozmermi i výkonmi. Menšie sa môžu montovať na vnútorné steny miestností a tie väčšie je vhodné umiestniť do medzistropu alebo do samostatnej technickej miestnosti.
Niektoré vetracie systémy slúžia aj na účinné teplovzdušné vykurovanie priestorov s cirkuláciou časti vetracieho vzduchu. Toto riešenie umožňuje dodávku väčšieho množstva tepla do interiérov, a preto slúži ako náhrada tradičného vykurovania nielen v pasívnych, ale aj v nízkoenergetických domoch. Cirkulačný vzduch rozvedie po celom dome tepelné zisky z jednotlivých miestností, do ktorých práve svieti slnko alebo sa v nich napríklad kúri v kozube.
Rozvody cirkulačného vzduchu s podielom čerstvého vzduchu sa umiestňujú väčšinou do podláh s vyústením privádzaného vzduchu pri oknách. Odsávanie vzduchu prebieha z kúpeľní, WC a kuchýň, do ktorých sa vzduch dostáva štrbinami podo dvermi. Tento vzduch potom odchádza von, keď predtým odovzdal teplo čerstvému vzduchu. Nasávacie vyústenia cirkulačného vzduchu sa umiestňujú blízko zdrojov tepla a na najvyššie miesta na podlaží.

Množstvo vetracieho vzduchu býva okolo 150 m3/hod., množstvo cirkulačného vzduchu závisí od veľkosti tepelnej straty a teploty vykurovacieho média a pohybuje sa v stovkách m3/hod. Zdrojom dodatočného tepla býva akumulačná nádrž s vykurovacou vodou, ktorú ohrievajú solárne panely, tepelné čerpadlo alebo elektrokotol.
Obnoviteľné zdroje energie prinášajú ich prevádzkovateľom mnohé výhody. Okrem bezpečnosti dodávok energie alebo jej nižšej ceny je veľmi dôležitý ďalší aspekt. Využitie obnoviteľných zdrojov v budove významne zlepšuje jej pozíciu pri predaji či prenájme a zlepšuje aj výsledky hodnotenia pri energetickej certifikácii.

(mez)
Zdroj: Energetické centrum a internet
Snímky: archív redakcie